EVALUACIÓN DE MATERIALES REFRACTARIOS, EQUIPOS Y PROCEDIMIENTOS DE REPARACIÓN DE FRENTE DE PIQUERA DE ALTO HORNO

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1 EVALUACIÓN DE MATERIALES REFRACTARIOS, EQUIPOS Y PROCEDIMIENTOS DE REPARACIÓN DE FRENTE DE PIQUERA DE ALTO HORNO Pablo Marinelli y Juan Mirabelli (Ternium Siderar) Silvia Camelli y María José Rimoldi (Instituto Argentino de Siderurgia) Dardo Lavarra y J. Luis Leguizamón (Carbo San Luis) RESUMEN Los hormigones refractarios utilizados en piqueras de Alto Horno están sometidos a solicitaciones mecánicas, térmicas y químicas. Los principales requerimientos que deben cumplir estos materiales son elevada densidad, baja permeabilidad, mínimo tiempo de secado, resistencia mecánica y resistencia al ataque por escoria / arrabio y monóxido de carbono. Deben ser materiales aptos para ser colados sobre sustratos con temperatura, soportar el impacto del cañón durante la operatoria de tapada de la piquera, la presión de gases interna del horno y las condiciones de limpieza con lanza de oxigeno, técnica que acelera los mecanismos desgaste del hormigón por la formación de fisuras y arrastre de los granos refractarios. En este trabajo se presenta la evolución de propiedades en el diseño de un hormigón bajo cemento Al 2 O 3 - SiC C para diferentes tiempos de secado y con / sin adiciones de fibras metálicas. También se presentan los cambios geométricos implementados y los resultados de performace obtenidos en servicio. 1. INTRODUCCIÓN El Alto Horno Nº 2 de Ternium Siderar tuvo una producción promedio en los primeros 18 meses posterior al re-lining de 5300 toneladas de arrabio por día. La evacuación de escoria y de arrabio líquido a 1490ºC se realiza a través de dos piqueras. La performance en servicio del frente de piquera es función directa de las propiedades de los materiales refractarios que se utilizan en su construcción / reparación, y del diseño estructural de las mismas. Las prácticas de colado y las condiciones operativas del horno (cantidad y duración de las coladas, número de salas en servicio, temperatura de arrabio, etc) imponen las principales solicitaciones que determinan la vida del frente de piquera. Las reparaciones generales del frente de piquera se realizan cada seis meses con un hormigón bajo cemento Al 2 O 3 - SiC - C. Este material se aplica por colado.

2 En el siguiente trabajo se presenta en detalle la evolución de las acciones desarrolladas tanto en el diseño del hormigón como los cambios geométricos implementados con la finalidad de aumentar la duración en servicio del frente de piquera. 2. DESARROLLO En función de los requerimientos operativos de la sala colada se trabajó sobre las propiedades del hormigón utilizado en el frente de piquera, sobre las condiciones de aplicación y el diseño geométrico de la piquera Evolución de las propiedades del hormigón Al 2 O 3 - SiC C Resistencia mecánica. El hormigón refractario debe tener una resistencia mecánica superior a la presión que ejerce el cañón cuando este se apoya sobre el frente de la piquera. Por lo tanto, se debe incrementar la resistencia a la compresión en caliente (HCS) a las temperaturas promedios en que se encuentra el material del frente de piquera (400 C). En la tabla 1 se presentan las propiedades tanto del hormigón típico utilizado (hormigón L) como del nuevo material desarrollado (hormigón N), donde se observa la variación en las propiedades mecánicas de los mismos a raíz de una leve modificación en la composición química del hormigón. Tabla 1. Evolución de las propiedades mecánicas de los hormigones utilizados en el frente de piquera. Propiedades Composición química: Al 2 O 3 SiO 2 SiC C CaO Resistencia a la compresión en frío: 110ºC 1400ºC Resistencia a la compresión en caliente: 400ºC Resistencia a la compresión después de secar las probetas a 50ºC durante 12 hs Unidad Hormigón L Hormigón N (%) ,5-3,5 1,3-1, ,5-1,5 1,5-2,5 (MPa) (MPa) (MPa) Este incremento en las propiedades mecánicas permitió reemplazar en servicio el hormigón L por el hormigón N.

3 Tiempo de secado. El hormigón refractario N se utiliza en las reparaciones generales del frente de piquera y tiene un tiempo de secado de 16 horas. Estas reparaciones generales se realizan en paros programados del horno de más de 24 horas. Con el objetivo de alinear las reparaciones generales del frente de piquera con las reparaciones de los canales principales de colada se necesitó acortar la curva de secado del hormigón de 16 a 10 horas. En laboratorio se simularon las dos curvas de secado y se extrajeron probetas en diferentes intervalos de temperatura / tiempo con la finalidad de evaluar las propiedades físicas y mecánicas para las diferentes curvas. En la figura 1, se presenta la evolución de las propiedades mecánicas para las diferentes curvas de secado. Entre ambas curvas (original y propuesta) no se observan desviaciones en las propiedades mecánicas. En general, las muestras tratadas con la curva de 10 horas (curva propuesta) presentan valores similares o levemente superiores a la curva original de mayor tiempo de secado. En la figura 2 se observa los valores de porosidad aparente para las dos curvas de secado, los cuales resultaron semejantes en todas las muestras analizadas Propiedades mecánicas (MPa) C. propuesta -CCS C.original - CCS C.propuesta - MOR C.original - MOR /650 Temperatura de tratamiento ( C) Figura 1. Evolución de las propiedades mecánicas para las dos curvas de secado.

4 Porosidad (%) C. propuesta C.original /650 Temperatura de tratamiento ( C) Figura 2. Evolución de la porosidad aparente para las dos curvas de secado. Adición de fibras metálicas. Con el objeto de incrementar la resistencia mecánica residual del hormigón refractario N se adicionó 1,5 % de agujas metálicas. En la tabla 2 se presenta la evolución de las propiedades físicas para diferentes temperaturas del hormigón N con / sin agujas metálicas donde se observa similar comportamiento de la porosidad aparente y de la resistencia a la abrasión para los dos hormigones. En cambio, la densidad presenta un incremento asociado a la presencia de las fibras metálicas. Las probetas tratadas a 110ºC y a 816ºC, presentan un incremento en las propiedades mecánicas: mayor resistencia a la compresión y a la flexión (figura 3). Tabla 2. Propiedades del hormigón N con / sin adición de agujas metálicas. Propiedades Porosidad aparente: 110ºC 816ºC 1400ºC Densidad: 110ºC 816ºC 1400ºC Resistencia a la abrasión: 110ºC 816ºC 1400ºC Unidad Hormigón N Hormigón N+ agujas metálicas (%) (g/cm 3 ) (cm 3 ) 12,9 16,5 15,5 2,90 2,79 2,89 5,7 7,9 5,7 12,6 17,1 14,8 2,93 2,95 2,93 7,3 5,7 5,7

5 CCS / MOR (MPa) HA-CCS HA+AM-CCS HA-MOR HA+AM-MOR Temperatura (ºC) Figura 3. Evolución de las propiedades mecánicas del hormigón N con (HA+AM) / sin (HA) agujas metálicas Evolución del diseño de las piqueras En la figura 4 se presenta un esquema de las piqueras construidas durante el re-lining del Alto Horno Nº2 de Ternium Siderar durante entre octubre de 2006 y febrero de El diseño de las mismas corresponde a NDK, y el material del cuerpo de la piquera es carbón BC-12SR súper micro - poro. El frente y túnel están construidos con el hormigón refractario Al 2 O 3 - SiC C, identificado como N. Este diseño de piqueras presentó en servicio dos puntos críticos a considerar: 1. comunicación del apisonable perimetral con el hormigón refractario del frente de la piquera (figura 4, punto 1). 2. espesor delgado de la pared del frente de piquera (figura 4, punto 2). Estas características producen pérdida de gas a través del hormigón del frente de piquera tal como se observa en la figura 5. Para atenuar este comportamiento se trabajó en la modificación del diseño geométrico del frente de la piquera, para lo cual: a. Se incrementó el espesor del hormigón de 82 mm a 200 mm, respetando el ángulo de inclinación del túnel de colado. b. Se instalaron mayor cantidad de anclajes metálicos en el marco de la capilla metálica de la piquera (figura 6). c. Se levantó el altar del canal a 350 mm por debajo de la línea de trabajo (working point). Estas modificaciones se presentan en la figura 7.

6 Salida gas Chapa de cobre 80 Altar del canal Carga Figura 4. Esquema de las piqueras del Alto Horno 2 de Ternium Siderar ( ). 1 Figura 5. Pérdida de gas a través del hormigón del frente de piquera. Figura 6. Anclajes ubicados en marco de la capilla metálica de la piquera.

7 Carga. Figura 7. Esquema con las modificaciones introducidas en el frente de piquera del Alto Horno 2 (2008) Modificaciones en las condiciones de montaje. Con la finalidad de reducir los tiempos de las reparaciones generales del frente de piquera se reemplazó el uso de los moldes fijos por moldes descartables. En la figura 8 se presenta el armado del encofrado en una de las piqueras del Alto horno 2. Figura 8. Diferentes vistas del encofrado descartable.

8 3. CONCLUSIONES. El diseño y la calidad del revestimiento refractario utilizado en el frente de piquera evolucionaron en función de los requerimientos operativos en las diferentes etapas de la campaña del Alto Horno Nº 2. Estas implementaciones se desarrollaron con la finalidad de incrementar la duración de la piquera. Se desarrolló un hormigón para el frente de piquera con resistencia a la compresión en caliente capaz soportar el impacto y la presión sucesiva que ejerce el cañón en cada tapada. Se disminuyeron los tiempos de reparación con la implementación de moldes descartables y los tiempos de secado del hormigón Carbosic 32 A de 16 a 10 horas sin afectar las propiedades mecánicas y físicas del mismo. La adición de fibras de acero inoxidable al hormigón permitió incrementar las propiedades mecánicas residuales sin modificar las propiedades físicas del mismo en el rango de temperatura ºC. Los cambios geométricos introducidos en el diseño de la piquera minimizaron las pérdidas de gas a través del hormigón del frente de piquera tal como se observa en la figura 9. Figura 9. Aspecto de la piquera después de los cambios geométricos.